PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO EM SISTEMAS FLOW SHOP HÍBRIDO COM CONSIDERAÇOES DE TEMPOS DE SETUP: UMA ANÁLISE DOS MÉTODOS DE SOLUÇÃO

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1 PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO EM SISTEMAS FLOW SHOP HÍBRIDO COM CONSIDERAÇOES DE TEMPOS DE SETUP: UMA ANÁLISE DOS MÉTODOS DE SOLUÇÃO Márcia de Fátima Morais GEPPGO, DEP, FECILCAM Avenida Comendador Norberto Marcondes, 733 Campo Mourão, PR Thays J. Perassoli Boiko GEPPGO, DEP, FECILCAM Avenida Comendador Norberto Marcondes, 733 Campo Mourão, PR Hugo Hissashi Miyata EPA, PIBIC_CNPq, GEPPGO, DEP, FECILCAM Avenida Comendador Norberto Marcondes, 733 Campo Mourão, PR Patrícia Castoldi Cantiere EPA, PIBIC_CNPq, GEPPGO, DEP, FECILCAM Avenida Comendador Norberto Marcondes, 733 Campo Mourão, PR RESUMO Esta pesquisa integra estudos e pesquisas realizados pelo Grupo de Estudo e Pesquisa em Processos e Gestão de Operações (GEPPGO), Linha de Pesquisa em Pesquisa Operacional Aplicada aos Sistemas de Produção do Departamento de Engenharia de Produção (DEP), da FECILCAM. As pesquisas em Programação da Produção, foco deste estudo, vem crescendo consideravelmente nos últimos anos. Esta pesquisa objetiva identificar e analisar o conteúdo dos trabalhos disponíveis na literatura especializada, que tratam do desenvolvimento de métodos de solução para os Problemas de Programação da Produção em sistemas Flow Shop Híbrido com Tempos de Setup separados dos tempos de processamento, dependentes e independentes da sequência de execução de tarefas e/ou lotes de tarefas. PALAVRAS-CHAVE. Programação da Produção. Flow Shop Híbrido. Tempos de Setup. (Programação Matemática). ABSTRACT This research integrate investigations realized by the Group of the Studies and Reseachs in Process and Management Operations (GEPPGO), Operations Research Line Applied to Production Systems, of the Engineering Production Department of the FECILCAM. Researches in Production Scheduling, attempts of this study, have been developed substantially in the last years. This research propose to recognize and analyze the contents of papers in the specialized literature, that dealing the development of solutions methods for the scheduling problem in Hybrid Flow Shop systems with separated Setup Times of the processing time, consider dependent and independent Setup Times of job and/or batch sequence. KEYWORDS. Scheduling. Hybrid Flow Shop. Setup Times. (Mathematical Programming). 2171

2 1. Introdução Grande parte das pesquisas em Programação da Produção até meados da década de 1990 considerava os Tempos de Setup como não relevantes ou de pequena variação e, geralmente, os incluíam nos tempos de processamento de tarefas e/ou lotes de tarefas. Todavia, houve um crescimento nas pesquisas que consideram nas hipóteses do Problema de Programação da Produção, a restrição adicional de que os Tempos de Setup são separados dos tempos de processamento. Esta pesquisa, realizada pelo Grupo de Estudo e Pesquisa em Processos e Gestão de Operações (GEPPGO), Linha de Pesquisa em Pesquisa Operacional Aplicada aos Sistemas de Produção, do Departamento de Engenharia de Produção (DEP), da FECILCAM, tem por objetivo identificar os trabalhos disponíveis na literatura especializada, que tratam do desenvolvimento de métodos para a Programação da Produção em sistemas de produção Flow Shop Híbrido, que consideram os Tempos de Setup separados dos tempos de processamento, dependentes e independentes da seqüência de execução de tarefas e/ou de lote de tarefas. A presente pesquisa poderá nortear pesquisas futuras, quer sejam de cunho teórico, quer sejam de cunho metodológico, por meio do desenvolvimento de novos métodos para a Programação da Produção, a partir de lacunas do conhecimento identificadas nesta pesquisa, ou de cunho prático, por meio da aplicação dos métodos investigados em empresas que possuam o tipo de sistema de produção adotado nesta pesquisa. O artigo encontra-se estruturado em seis seções. Após a apresentação da contextualização e dos objetivos da pesquisa, tem-se o referencial teórico da pesquisa. Na terceira seção, os procedimentos metodológicos são apresentados. Na quarta seção, encontra-se a apresentação dos trabalhos realizados em Flow Shop Híbridos com Tempos de Setup separados dos tempos de processamento dependentes e independentes da sequência. Em seguida, a análise do conteúdo dos trabalhos e os resultados da análise são apresentados. E na sexta seção, as considerações finais são apresentadas. 2. Referencial Teórico 2.1 Programação da Produção e Problema de Programação da Produção A Programação da Produção refere-se à ordenação de tarefas a serem executadas, em uma ou diversas máquinas, considerando-se uma base de tempo, ou seja, determinando-se principalmente, as datas de início e fim de cada tarefa. (MOCCELLIN, 2005) Um Problema de Programação da Produção (PPP), segundo Moccellin (2005), pode ser definido, do ponto de vista da Pesquisa Operacional, que fornece modelos matemáticos para a tomada de decisão, como um problema de n tarefas {J 1, J 2,..., J j,..., J n } que devem ser processadas em m máquinas {M 1, M 2,..., M k,..., M m } que estão disponíveis. Um PPP é especificado termos sua classificação, dos critérios de desempenho adotados (MACCARTHY e LIU, 1993) e das hipóteses do problema (BOIKO e MORAIS, 2009) Classificação dos Problemas de Programação da Produção Os Problemas de Programação da Produção (PPP) são classificados de acordo com os sistemas de produção, por tipo de posicionamento do processo de produção, onde ocorrem 2172

3 (BOIKO e MORAIS, 2009). Assim, podem ser classificados conforme segue em: a) Máquina Única; b) Máquinas Paralelas; c) Flow Shop; d) Flow Shop Permutacional (FSP); e) Flow Shop com máquinas múltiplas; f) Job Shop; g) Job Shop com máquinas múltiplas, também denominado na literatura de Flow Shop Flexível (SETHANAN, 2001), Flow Shop com Máquinas em Paralelo (SETHANAN, 2001) e Flow Shop Híbrido (MORAIS, 2008); h) Open Shop; i) Por Projeto. Esta pesquisa trata do Flow Shop com máquinas múltiplas, adotando-se a definição utilizada por Morais (2008) Flow Shop Híbrido O Flow Shop Híbrido, é um caso especial de Flow Shop em que, em pelos menos um dos estágios de produção k o número de máquinas é maior que 1 (k<m), ou seja, existe k máquinas em paralelo, sendo que cada tarefa e/ou lote de tarefas é processamento em apenas uma das máquinas em cada estágio de produção (SETHANAN, 2001). O Flow Shop Híbrido pode ser subdividido em três categorias, de acordo com o relaciomento entre máquinas do mesmo estágio: a) Flow Shop Híbrido com ; b) Flow Shop Híbrido com Máquinas Uniformes ou Proporcionais; e c) Flow Shop Híbrido com Máquinas Não Relacionadas Critérios de Desempenho do Problema de Programação da Produção Os principais critérios de desempenho utilizados nos métodos de solução para programação da produção, de acordo com Maccarthy e Liu (1993) e Allahverdi, Cheng e Kovalyov (2008) são: Adiantamento da Tarefa ou Lateness (Lj); Adiantamento Máximo (Lmax); Adiantamento Total ( Lj); Adiantamento Total Ponderado ( wjlj); Adiantamento; Atraso da Tarefas ou Tardiness (Tj); Atraso Máximo (Tmax); Atraso Total ( Tj); Atraso Médio das Tarefas ( Tj/n); Atraso Total Ponderado ( wjtj); Data de Término da Tarefa ou Completion Time (Cj); Duração Total da Programação ou Maximum Completion Time ou Makespan (Cmax); Duração Média da Programação ou Mean Completion Time ( C i /n); Número de Tarefas em Atraso ( Uj); Tempo de Espera (Wj); Tempo Médio de Espera ( Wj/n);Tempo Total de Espera Ponderado ( wjwj); Tempo de Fluxo da Tarefa ou Flow Time (Fj); Tempo de Fluxo Total Ponderado ( wjfj); Tempo de Fluxo Total Ponderado ( wjfj); Tempo Médio de Fluxo ( Fj/n); Tempo Total de Espera ( Wj); Custo Total de Setup (TSC); Tempo Total de Setup (TST); Custos de Estoque (CE), e; Custos de Transporte (CT) Hipóteses do Problema de Programação da Produção Quanto às hipóteses dos Problemas de Programação da Produção, estas podem ser divididas em hipóteses sobre tarefas e/ou grupos de tarefas, sobre máquinas e sobre políticas de operações (GUPTA e STAFFORD JR., 2006). Estas hipóteses determinam as restrições do Problema. Nesta pesquisa adota-se a restrição de Tempos de Setup separados dos tempos de processamento. 2173

4 Tempos de Setup Tempo de Setup é o tempo requerido para preparar uma máquina ou um processo para processar uma tarefa e/ou lote de tarefas. Isto inclui, de acordo com Morais (2008), o tempo para obter ferramentas, posicionar o trabalho no processo de materiais, limpeza, recolocação de ferramental, posicionamento de acessórios, ajuste de ferramentas e inspeção de materiais. O Setup pode ser classificado de acordo com à dependência da seqüência adotada, quanto a ser Setup das máquinas para tarefas ou para lotes de tarefas e quanto à antecipabilidade. Quanto à dependência da seqüência, o Setup pode ser classificado, segundo Allahverdi; Gupta e Aldowaisan (1999) e Cheng, Gupta e Wang (2000): a) Setup dependente da seqüência de execução, e; b) Setup independente da seqüência de execução. Quanto a ser Setup das máquinas para as tarefas ou para lotes de tarefas, o Setup é classificado, conforme Allahverdi, Gupta e Aldowaisan (1999) e Cheng, Gupta e Wang (2000): a) Setup para tarefas, e; b) Setup para lotes de tarefas. Segundo a antecipabilidade, o Setup pode ser classificado, segundo Cheng, Gupta e Wang (2000) em: a) Setup antecipatório, e; b) Setup não-antecipatório Métodos de Solução para Problemas de Programação da Produção Os métodos de solução para Problemas de Programação da Produção são divididos em duas categorias: a) métodos de solução ótima - geram uma programação ótima de acordo com o critério de desempenho adotado (MORAIS, 2008), tais como técnicas de enumeração do tipo Branch-and-Bound e Programação Linear Inteira; b) métodos heurísticos - buscam alcançar uma solução próxima da solução ótima, em um tempo computacional (tempo de solução) aceitável, tais como metaheurísticas Busca Tabu, Simulated Annealing e Algoritmo Genético, são classificados em construtivos ou melhorativos (SOUZA e MOCCELLIN, 2000). 3. Procedimentos Metodológicos A pesquisa aqui relatada classifica-se, quanto aos fins, como descritiva e, quanto aos meios, como bibliográfica. O método de abordagem adotado foi o quantitativo-qualitativo. Assim, realizou-se uma pesquisa, com os objetivos de identificar os trabalhos publicados, que tratam do desenvolvimento de métodos para Programação da Produção em sistemas Flow Shop Híbrido com tempos de Setup dependentes e independentes da seqüência de execução de tarefas e/ou lotes de tarefas, bem como analisar o conteúdo tratado nestes trabalhos. A busca por trabalhos foi realizada nos portais Periódicos Capes, Science Direct, DOAJ, Hindawi e Open J-Gate, nos anais do ENEGEP (Encontro Nacional de Engenharia de Produção), do SIMPEP (Simpósio de Engenharia de Produção) e do SBPO (Simpósio Brasileiro de Pesquisa Operacional), nas principais bibliotecas online do Brasil, como USP, Unicamp e UFSC, no Portal Livre e na Rede Universia, considerando os sistemas de produção Flow Shop Híbrido com tempos de Setup dependentes e independentes da seqüência de execução de tarefas e/ou lotes de tarefas. Mais de 30 períodos brasileiros e internacionais, nas áreas de Pesquisa Operacional, Administração, Gestão da Produção e Ciências Aplicadas, consultados individualmente, considerando os sistemas de produção Flow Shop Híbrido com tempos de Setup dependentes e independentes da seqüência de execução de tarefas e/ou lotes de tarefas, também serviram de fontes para esta investigação. Não se estabeleceu uma limitação temporal para esta investigação. A análise de conteúdo dos trabalhos encontrados foi estruturada conforme o critério de desempenho adotado, o enfoque do método de solução as restrições adicionais incorporadas ao problema. 2174

5 4. Programação da Produção em Sistemas Flow Shop Híbridos com Tempos de Setup 4.1. Programação da Produção em Sistemas Flow Shop Híbridos com Tempos de Setup Dependentes da Seqüência Métodos de solução para o Problema de Programação da Produção (PPP) em sistemas de produção Flow Shop Híbrido (FSH) com tempos de Setup dependentes da seqüência de execução de tarefas e/ou lote de tarefas foram encontrados em 30 publicações. O Quadro 1 apresenta uma síntese dos trabalhos em sistemas de produção FSH com Tempos de Setup dependentes da seqüência de tarefas. Quadro 1 Trabalhos em Sistemas de Produção Flow Shop Híbrido com Tempos de Setup Dependentes da Seqüência de Tarefas (Continua...) Critério(s) Enfoque Referência Restrições Adicionais Desempenho Método(s) Liu e Chang (2000) TST TSC Oguz, Janiak e Lichtenstein (2001) Sethanan (2001) Kurz e Askin (2003) Kurz e Askin (2004) Limitante Limitante Datas de liberações Subdivisão de tarefas Operações simultâneas Tempo de espera Tempo ocioso Tempo total de setup Operações Perdidas Pugszhendhi et al. (2004) w j F i Operações Perdidas Fuchigami (2005) Jungwattanaki et al. (2005) U j Moccellin e Silva (2005) Máquinas Não-Relacionadas Estágio dominante Tang e Zang (2005) TST Rede Neural Ruiz e Maroto (2006) Máquinas Não-Relacionadas Máquinas Não-Relacionadas Restrições de Precedência Datas de Liberação Elegibilidade de Máquinas Ruiz, Sivrikaya-Serifoglu e Urlings (2006) Setup Antecipado Tempo de Defasagem Zandie, Ghomi e Husseini (2006) Chen et al. (2007) Jungwattanaki et al. (2008) U j Máquinas Não-Relacionadas Restrições de Precedência Limitação de Estoque Intermediário Máquinas Não-Relacionadas 2175

6 Quadro 1 Trabalhos em Sistemas de Produção Flow Shop Híbrido com Tempos de Setup Dependentes da Seqüência de Tarefas (Fim.) Critério(s) Enfoque Referência Restrições Adicionais Desempenho Método(s) Morais (2008) F i /n Naderi et al. (2008) Abiri, Zandieh e Tabriz (2009) Behnamian, Fatemi Ghomi e Zandieh (2009) Lj Tj Jabbarizadeh, Zandieh e Talebi (2009) Jungwattanaki et al. (2009) Naderi, Zandieh e Roshanaei (2009) Naderi et al. (2009) U j T max Disponibilidade de Máquinas Operações Perdidas Máquinas Não-Relacionadas Tempo de Transporte T j Trabiz, Zandieh e Vaziri (2009) Yaurima, Burtseva e Tchernykh (2009) Máquinas Não-Relacionadas Uma síntese dos trabalhos em sistemas de produção FSH com tempos de Setup dependentes da seqüência de execução de lotes de tarefas é apresentada no Quadro 2. Quadro 2 Trabalhos Realizados em Sistemas de Produção Flow Shop Híbrido com Tempos de Setup Dependentes da Seqüência de Lotes de Tarefas Critério de Desempenho Enfoque do (s) Método(s) Referência Restrições Adicionais Lin e Liao (2003) T max Estágio Dominante Datas de entrega Andrés et al. (2005) Coeficiente de Similaridade Logendran, Szoeke e Barnami (2006) Zandieh, Dorri e Khamseh (2009) Behnamian, Zandieh e Fatemi Ghomi Lj (2010) Tj 4.2. Programação da Produção em Sistemas Flow Shop Híbridos com Tempos de Setup Independentes da Seqüência Métodos de solução para o Problema de Programação da Produção (PPP) em sistemas de produção Flow Shop Híbrido (FSH) com Tempos de Setup independentes da seqüência de execução das tarefas e/ou do lote de tarefas foram encontrados em 19 publicações. O Quadro 3 apresenta uma síntese dos trabalhos realizados em sistemas de produção FSH com Tempos de Setup Independentes da Seqüência de Tarefas. 2176

7 Quadro 3 Trabalhos em Sistemas de Produção Flow Shop Híbrido com Tempos de Setup Independentes da Seqüência de Tarefas Referência Gupta e Tunc (1994) Kim, Kang e Lee (1997) Critério de Desempenho Enfoque do (s) Método(s) Botta-Genoulaz (2000) T max Allaoui e Artiba (2004) F i /n Wj/n Tj/n T max U j Simulação Restrições Adicionais Estágio Dominante Tempos de Remoção Lote de Transferência Restrições de Precedência Tempo de Defasagem Tempo de Remoção Datas de Entrega Restrições de Manutenção Low (2005) F i Tempo de Remoção Fuchigami e Moccellin (2006) Fuchigami e Moccellin (2007) Setup Antecipatório Xuan e Tang (2007) wjcj wjwj Lotes no último estágio Tempos de Transporte Uma síntese dos trabalhos em sistemas de produção FSH com tempos de Setup independentes da seqüência de execução de lotes de tarefas é apresentada no Quadro 4. Quadro 4 Trabalhos Realizados em Sistemas de Produção Flow Shop Híbrido com Tempos de Setup Independentes da Sequência de Lotes de Tarefas Referência Critério de Enfoque do (s) Desempenho Método(s) Restrições Adicionais Li (1997) Estágio Dominante Huang e Li (1998) Máquinas Uniformes Estágio Dominante Cheng e Kovalyov (1998) Máquinas Dedicadas Estágio Dominante Cheng, Kovalyov e Chakhlevice (2004) Logendran, Carson e Hanson (2005) Zhang et al (2005) C i /n Restrições de Precedência Akrami, Karimi e Hosseini (2006) Torabi, Ghomi e Karimi (2006) Jenabi, Ghomi e Karimi (2007) Quadt e Kuhn (2007) Mahdavi et al (2008) TSC F i /n TST CT CE TST CE TSC F i /n wjtj wjlj Estágio Dominante Limitação de Estoque Intermediário Horizonte Finito Horizonte Finito Máquinas Não-Relacionadas Horizonte Finito Setup antecipatório 2177

8 4.3. Análise dos Resultados Métodos para o Problema de Programação da Produção (PPP) em Sistema de Produção Flow Shop Híbrido (FSH) com Tempos de Setup dependentes e independentes da seqüência de execução de tarefas e/ou lotes de tarefas foram encontrados em 49 publicações. Deste total, 79,5% investigam FSH com máquinas paralelas idênticas, 16,3% com máquinas paralelas não-relacionadas, 2,1% com máquinas paralelas uniformes e 2,1% com máquinas paralelas dedicadas. Verificou-se que, 30 trabalhos (61,3%) tratam de PPP em FSH com Tempos de Setup dependentes da seqüência e 19 trabalhos (38,7%) apresentam métodos para PPP em FSH com Tempos de Setup independentes da seqüência. Quanto aos trabalhos que tratam de PPP em FSH com Tempos de Setup dependentes da seqüência, 83,33% dos trabalhos abordam Setups dependentes da execução de tarefas e 16,66% dos trabalhos abordam Setups dependentes da execução de lotes de tarefas. Do total de trabalhos que abordam o desenvolvimento de métodos para PPP em Sistemas FSH com Tempos de Setup dependentes da sequência de execução tanto de tarefas quanto de lotes de tarefas, 73,33% apresentam função-objetivo monocritério, 23,33% bicritério e 3,33% tricritério. Destes trabalhos, 60% abordam o critério de desempenho Makespan, 3,33% tratam de critérios orientados ao Atraso Máximo, 3,33% adotam critérios orientados aos Tempos de Fluxo Ponderados, 3,33% abordam Tempo Médio de Fluxo, 3,33% adotam Tempos de Setup, 16,66% abordam bricritério Makespan e Atraso das Tarefas, 3,33% utilizam bricritério de Atrasos e Adiantamentos, 3,33% abordam bricritério Custos e Tempos de Setup e 3,33% adotam tricritério de Makespan, Atrasos e Adiantamentos das Tarefas. Quanto aos trabalhos que tratam de PPP em FSH com Tempos de Setup independentes da seqüência, 42,11% dos trabalhos abordam Setups dependentes da execução de tarefas e 57,89% dos trabalhos abordam Setups dependentes da execução de lotes de tarefas. Do total de trabalhos que abordam o desenvolvimento de métodos para PPP em Sistemas FSH com Tempos de Setup independentes da sequência de execução tanto de tarefas quanto de lotes de tarefas, 63,15% apresentam função-objetivo monocritério, 26,31% bicritério, 5,27% tricritério e 5,27% multicritério. Destes, 47,36% abordam o critério de desempenho Makespan, 5,27% utilizam critérios orientados a Duração Média da Programação, 5,27% tratam de critérios orientados ao Atraso Máximo, 5,27% adotam critérios orientados ao Tempo Total de Fluxo, 5,27% utilizam bicritério de desempenho relacionados aos Tempos de Espera e Adiantamentos Ponderados, 5,27% adotam bicritério direcionados as Datas de Términos e Tempos de Espera Ponderados, 10,52% adotam critérios de Tempo total de Setup e Tempo Médio de Fluxo, 5,27% adotam tricritério de Tempo Total de Setup, Custo de Transporte e Custo de Estoque e 5,27% utilizam função-objetivo multicritério, abrangendo Makespan, Atrasos, Adiantamentos e Tempos de Fluxo das Tarefas. 5. Considerações Finais Os resultados da pesquisa mostram que os estudos direcionados ao desenvolvimento de métodos para a Programação da Produção em sistemas de produção Flow Shop Híbrido cresceram consideravelmente no decorrer da última década. Porém, nota-se uma predominância no desenvolvimento de métodos para PPP em sistemas FSH, que consideram o Setup separado dos tempos de processamento, dependentes e independentes da seqüência da execução de tarefas e/ou lotes de tarefas com funções-objetivo monocritério orientados à minimização do Makespan. 2178

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